CN112003002B - 电磁带隙组件及天线 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电磁带隙组件及天线，涉及天线技术领域，该电磁带隙组件包括：第一介质层、第二介质层、第一金属片及第二金属片；第一介质层与第二介质层层叠设置；第一金属片设置于第一介质层第一表面；第二金属片设置于第二介质层第二表面，第二金属片接地；第一介质层内设置有贯穿第一介质层的金属孔，金属孔的一端与第一金属片接触，金属孔的另一端与第二介质层接触，第二介质层将金属孔与接地的第二金属片隔离，将金属孔与地隔开，适用于压合工艺的PCB时，有效地降低了压合工艺的难度，同时利用非接地的金属孔与金属片形成电容及电感，建立LC回路，可以使得结构在工作频点谐振，提高工作带宽。

Description

电磁带隙组件及天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种电磁带隙组件及天线。

背景技术

传统的电磁带隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)结构，为了建立LC回路使得结构在工作频点谐振，常采用蘑菇型结构，即金属和金属之间的缝隙形成电容，金属接地形成电感。蘑菇型结构的接地孔对性能有极大的影响，且接地孔在印制电路板(PrintedCircuit Board，PCB)压合工艺中会带来加工难度。还有一些不采用接地孔的EBG结构，其实现通常采用金属本身自带的电感和电容正常工作，但工作带宽窄，谐振频率比蘑菇型结构高导致尺寸较大。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种电磁带隙组件及天线，其能够降低现有的电磁带隙组件用于PCB压合时工艺难度，提高工作带宽。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种电磁带隙组件，所述电磁带隙组件包括：第一介质层、第二介质层、第一金属片及第二金属片；所述第一介质层与所述第二介质层层叠设置；所述第一介质层包括背离所述第二介质层的第一介质层第一表面；所述第二介质层包括背离所述第一介质层的第二介质层第二表面；所述第二金属片设置于所述第二介质层第二表面，所述第二金属片接地；所述第一金属片设置于所述第一介质层第一表面；所述第一介质层内设置有贯穿所述第一介质层的金属孔，所述金属孔的一端与所述第一金属片接触，所述金属孔的另一端与所述第二介质层接触，所述第二介质层将所述金属孔与接地的所述第二金属片隔离。

在可选的实施方式中，所述第一金属片包括第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边，所述第一侧边与所述第三侧边相对，所述第二侧边与所述第四侧边相对；

所述第一侧边部分延伸形成第一金属条，所述第二侧边部分延伸形成第二金属条，所述第三侧边部分延伸形成第三金属条，所述第四侧边部分延伸形成第四金属条；

所述金属条的宽度小于对应的所述侧边的宽度。

在可选的实施方式中，所述第一金属条与所述第三金属条形状相同，所述第二金属条与所述第四金属条形状相同。

在可选的实施方式中，所述第一金属片为矩形。

在可选的实施方式中，所述第一金属片为正方形。

在可选的实施方式中，所述第一介质层与所述第二介质层一体设置。

第二方面，本发明实施例提供一种天线，所述天线包括金属贴片以及多个如前述实施方式任意一项所述的电磁带隙组件，电磁带隙组件环绕所述金属贴片设置。

在可选的实施方式中，任意相邻的两个所述电磁带隙组件之间的距离随机设置。

在可选的实施方式中，所述电磁带隙组件环绕所述金属贴片呈周期排布。

在可选的实施方式中，所述电磁带隙组件为有禁带或无禁带的电磁带隙组件。

相对于现有技术，本申请提供的电磁带隙组件包括：第一介质层、第二介质层、第一金属片及第二金属片；第一介质层与第二介质层层叠设置；第一介质层包括背离第二介质层的第一介质层第一表面；第二介质层包括背离第一介质层的第二介质层第二表面；第二金属片设置于第二介质层第二表面，第二金属片接地；第一金属片设置于第一介质层第一表面；第一介质层内设置有贯穿第一介质层的金属孔，金属孔的一端与第一金属片接触，金属孔的另一端与第二介质层接触，第二介质层将金属孔与接地的第二金属片隔离，将金属孔与地隔开，适用于压合工艺的PCB时，有效地降低了压合工艺的难度，同时利用非接地的金属孔与金属片形成电容及电感，建立LC回路，可以使得结构在工作频点谐振，提高工作带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实施例提供的电磁带隙组件的结构示意图；

图2为本实施例提供的电磁带隙组件的透视图；

图3为本实施例提供的电磁带隙组件的侧视图；

图4为本实施例提供的电磁带隙组件的第一介质第一表面的正视图；

图5为本实施例提供的电磁带隙组件的第二介质第二表面的正视图；

图6为本实施例提供的天线单元的侧面视图；

图7为本实施例提供的天线单元的电磁带隙组件排布示意图；

图8为本实施例提供的另一种天线单元的侧面视图；

图9为本实施例提供的另一种天线单元的电磁带隙组件排布示意图。

图标：100-电磁带隙组件；110-第一介质层；111-第一介质层第一表面；112-第一介质层第二表面；113-金属孔；120-第二介质层；121-第二介质层第一表面；122-第二介质层第二表面；130-第一金属片；131-第一侧边；132-第二侧边；133-第三侧边；134-第四侧边；135-第一金属条；136-第二金属条；137-第三金属条；138-第四金属条；140-第二金属片；200-天线单元；210-上介质层；220-下介质层；230-金属贴片；240-缝隙层；250-带状线；260-接地板；261-接地孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

相控阵系统可以在指定方向上进行空间功率合成，作用距离远，并且有快速变化的波束指向和波束形状，能够在较大的空域中扫描，可以生成多个波束等优良的性能，在测控系统、卫星通信等多种应用场景下都能发挥巨大的作用。相控阵系统中，采用低剖面、重量轻以及易共形的平面相控阵天线进行信息传输，在集成度越来越高、尺寸越来越小的通信终端设备上有广阔的前景。但是，随着现代电子技术的快速发展，为了适应信息化需求，对相控阵天线的增益与宽角扫描性能有越来越高的要求。

EBG结构能同时改善天线的增益与宽角扫描问题，且不会引入额外的损耗，可以做到与天线共形，因此EBG结构是当前的一大研究热点。但将EBG结构用在平面相控阵天线中还存在一些问题。(1)主流的蘑菇型的EBG结构需要引入接地孔，从而增加PCB板压合工艺难度及成本，极大的限制了EBG结构在平面相控阵中的应用。(2)不接地的共面EBG结构带宽较窄，且尺寸较大，在相控阵单元有限的结构下几乎不能共形，且EBG结构难以形成周期，因此性能不好。(3)目前已有的引入EBG结构的天线阵面主要为线天线，在贴片天线上引入EBG结构的较少，同时在贴片天线上引入EBG且将其用于组阵的更是在所有调研到的文献中没有的。(4)EBG结构可能存在的极化敏感特性，在实际应用中有很大限制。

为了改善上述的问题，本发明提供了一种新型的EBG组件，请参阅图1～图2，图1示出了本实施例提供的电磁带隙组件100的结构示意图。

本实施例提供的电磁带隙组件100包括：第一介质层110、第二介质层120、第一金属片130及第二金属片140。

其中，第一介质层110与第二介质层120层叠设置，第一介质层110包括第一介质层第一表面111及第一介质层第二表面112，第一介质层第一表面111与第一介质层第二表面112相对设置，其中，第一介质层第二表面112朝向第二介质层120，第一介质层第一表面111背离第二介质层120。

第二介质层120包括第二介质层第一表面121及第二介质层第二表面122，第二介质层第一表面121与第二介质层第二表面122相对设置，其中第二介质层第一表面121朝向第一介质层110，第二介质层第二表面122背离第一介质层110。

第一金属片130设置于第一介质层第一表面111，第二金属片140设置于第二介质层第二表面122，第二金属片140接地设置。

请参阅图3，第一介质层110内设置有贯穿第一介质层110的金属孔113，该金属孔113包括相对的第一端及第二端，该金属孔113的第一端与第一金属片130接触，第一金属片130上设置有与该金属孔113匹配的通孔，金属孔113的第一端穿过第一金属片130显露，该金属孔113的另一端与第二介质层120接触，利用第二介质层120将金属孔113与接地的第二金属片140隔离开，使该金属孔113成为非接地金属孔113。非接地金属孔113的悬置部分与第一金属片130较宽部分形成电容。

本实施例提供的电磁带隙组件100，由于该金属孔113不接地，不会与下方数字层或射频地层的其他金属孔113干涉，因此降低了PCB压合工艺难度，可以有效降低由于多层板压合带来的成本。此外，本实施例提供的电磁带隙组件100保留了传统蘑菇型EBG结构的部分金属孔，同时增加共面EBG结构贴片本身的电感，可以获得较宽的工作带宽，工作频率较低。

请参阅图4及图5，第一金属片130的形状可以为矩形，也可以为正方形。在一种可能的实现方式中，第一金属片130包括第一侧边131、第二侧边132、第三侧边133及第四侧边134，其中第一侧边131与第三侧边133相对，第二侧边132与第四侧边134相对。

第一金属片130的四条侧边分别延伸形成金属条，其中，第一侧边131部分延伸形成第一金属条135，第二侧边132部分延伸形成第二金属条136，第三侧边133部分延伸形成第三金属条137，第四侧边134部分延伸形成第四金属条138。

在一种可能的实现方式中，相对设置的两个金属条形状相同，即第一金属条135与第三金属条137形状相同，第二金属条136与第四金属条138形状相同。

金属条的长度与宽度可以根据电磁带隙组件100的工作特性进行设定，其中，金属条的宽度小于对应的侧边的宽度。例如，第一金属条135的宽度小于第一侧边131的宽度，第二金属条136的宽度小于第二侧边132的宽度等等。

在一种可能的实现方式中，整个电磁带隙组件100的电感由第一金属片130延伸出来形成的四个金属条以及非接地金属孔113提供，通过更改金属条长度以及宽度，调整第二介质层120的厚度可以调整感性值，金属条的宽度越窄，第二介质层120的厚度越大，则电磁带隙组件100产生的感性值越大；电磁带隙组件100的电容由第一金属片130较宽部分的金属和非接地金属孔113的悬置部分提供。根据电磁带隙组件100的应用场景，对四个金属条的长度、宽度进行设置，对第二介质层120的厚度进行调整，以使电磁带隙组件100适用于不同的应用场景。

在一种可能的实现方式中，第一金属片130为矩形，设置矩形的第一金属片130的电磁带隙组件100，对不同的电磁波极化方向会存在不同的影响，当矩形长边和短边不一致时，即第一金属片130相对于水平线或垂直线不对称时，不同极化入射时的响应是有差别的。比如有x极化的场，入射到长短不一样的第一金属片130，长边入射和短边入射的等效结构是不一样的。即结构的不对称性，会导致极化的不同响应。因此，当电磁带隙组件100的长边与短边不一致时，根据极化方向对第一金属片130的长边长度及短边的长度进行调整，可以将该电磁带隙组件100应用于降低单元的交叉极化。

在可选的实施方式中，第一金属片130为正方形，当第一金属片130为正方形时，该电磁带隙组件100不具备极化选择性。

本实施例提供的电磁带隙组件100保留的非接地金属孔113，在第二介质层120的厚度较薄时，当用于阵面设计时可以有效降低单元间的互耦，增加阵面增益，在合适的结构设计下，本实施例提供的电磁带隙组件100可以使得需求频段内，天线之间的表面波呈现无法传播的特性，因此能够降低表面波损耗从而提高阵面增益。

本实施例提供的电磁带隙组件100在合适的设计下，可以支持需求频段内的表面波传播，由于表面波存在边射辐射的特性，因此可以和主模产生的法向波束叠加产生宽角扫描的波束，增加大扫描角度增益。

上述实施例中，对于第一介质层110与第二介质层120，其可以为相同的介质材料，也可以为不同的介质材料，例如可以为FR-4等材料，但不限于此，还可以是其他的具有相同或相似功能的介质材料。

在一种可能的实现方式中，第一介质层110与第二介质层120分别独立设置，但在另一种可能的实现方式中，第一介质层110与第二介质层120还可以一体设置，只需维持金属孔113与接地的第二金属片140的隔离即可。

本发明的电磁带隙组件100，由孔和金属的结构特性可以用与在天线阵面中降低互耦；另外，周期排布的单元电磁带隙组件100，由于周期特性，根据弗洛奎定理，能够支持多种空间谐波，因此在不同的结构和设计方法下，在表面波传播特性方面可以分为有禁带的高阻抗表面和无禁带的高阻抗表面，有禁带的高阻抗表面表现出电磁带隙特性，即在一定频率带宽下，任意极化入射的表面波都不能在其中传播，采用这一特性，阵面中的表面波损耗可以因此降低从而提高增益；无禁带的高阻抗表面表现为对任意极化入射的表面波都可以传输，由于表面波存在边射辐射的特性，因此可以用于增加天线的大扫描角度增益。

基于上述实施例提供的电磁带隙组件100，本实施例从以上三种不同的原理着手，对该电磁带隙组件100的应用进行介绍，提供了几种不同的天线设计。

请参阅图6与图7，结合图6与图7对电磁带隙组件100降低天线互耦的原理进行介绍，图6示出了本实施例提供的一种天线单元200的侧面视图。

天线单元200包括上介质层210、下介质层220、金属贴片230、缝隙层240、带状线250、接地板260以及多个上述实施例提供的电磁带隙组件100。

需要说明的是，上述多个电磁带隙组件100集成设置天线单元200中，电磁带隙组件100的第一介质层110由天线单元200的上介质层210形成；电磁带隙组件100的第二介质层120由天线单元200的下介质层220形成。

上介质层210与下介质层220叠设置，该金属贴片230的形状为矩形，矩形金属贴片230印刷形成于上介质层210背离下介质层220的表面上，缝隙层240印刷在下介质层220上，带状线250设置在缝隙层240的下方，由缝隙层240下方的带状线250进行馈电，接地板260设置于下介质层220背离上介质层210的表面，可以理解的是，电磁带隙组件100的第二金属片140由天线单元200的接地板260形成。

下介质层220设置有多个接地金属孔113，接地金属孔113将带状线250包围，可以有效降低和相邻单元的串扰。天线单元200工作时，通过同轴探针给带状线250馈电，能量由带状线250耦合到上方的缝隙层240，进而将能量耦合给上方的矩形金属贴片230。

如图7所示，在上介质层210的矩形金属贴片230周围随机设置本实施例提供的电磁带隙组件，电磁带隙组件100环绕该矩形金属贴片230设置，任意相邻的两个电磁带隙组件100之间的距离随机设置，设置原则为保证电磁带隙组件100的非接地金属孔113围绕该金属贴片230一圈，从而利用非接地的金属孔113将天线单元200之间的耦合通路尽量阻断。

电子带隙结构的金属孔113不接地，因此与下介质层220内的接地孔261不会产生干涉，可以有效降低多层板压合难度。

在一种可能的实现方式中，电磁带隙组件100的数量越多，降低天线互耦的效果越好，但同时电磁带隙组件100的数量增多也会造成驻波的恶化，因此电磁带隙组件100的数量需要结合天线互耦以及驻波进行设定。

于本实施例中，天线形式为微带天线，但不限于此，还可以是其他类型的天线。

本实施例提供的电磁带隙组件100设置有非接地金属孔113，调整非接地金属孔113与接地的第二金属板之间的介质间隙(即第二介质层120的厚度)可以调节板间电容，从而可以在一定程度降低单元之间的耦合电流，提高天线增益。

传统的电磁带隙组件100中去耦金属孔113均为接地金属孔113，在进行PCB压合时增加了压合工艺的难度，本实施例提供的非接地金属孔113可以在降低加工难度的情况下保证性能。同时非接地金属孔113上方的第一金属片130可以作为寄生贴片参与天线辐射，进一步提高天线增益，由于降低互耦的关键因素在于电磁带隙组件100单元间的金属和非接地金属孔113结构，因此在布局上可以随机摆放，只需保证互耦通路被接地孔261包围即可。

请参阅图8和图9，结合图8对电磁带隙组件100提高天线法向增益的原理进行介绍，图8示出了本实施例提供的一种天线单元200的侧面视图。

本实施例提供的天线单元200与上述实施例提供的天线单元200结构基本相同，区别在于电磁带隙组件100排布规律。

请参阅图8，本实施例提供的天线单元200包括上介质层210、下介质层220、金属贴片230、缝隙层240、带状线250、接地板260以及多个上述实施例提供的电磁带隙组件100。

其中，本实施例采用的电磁带隙组件100被设计为有禁带的高阻抗表面，在一种可能的实现方式中，对电磁带隙组件100的第二介质层120的厚度、第一金属片130、第二金属片140的厚度进行调节，可以对电磁带隙组件100的频带进行调整，从而形成有禁带或者无禁带的高阻抗表面。

本实施例中，采用有禁带的电磁带隙组件100，可以阻碍一定频率带隙内表面波的传播，因此也可以降低互耦，提高隔离。

参阅图9，于本实施例中，该电磁带隙组件100环绕该矩形金属贴片230呈周期设置，电磁带隙组件100第一介质层110上设置的第一金属片130与相邻的电磁带隙组件100的第一金属片130首尾相连，将相邻的电磁带隙组件100的第一金属片130相连，通过连接的多个第一金属片130提供结构工作需要的电感，这种设计方法与传统的共面EBG结构类似，但本实施例提供的电磁带隙组件100的非接地金属孔113可以使得工作频率更低，相比传统的共面EBG结构有更小的尺寸。

一般地，电磁带隙组件100排列的周期越多，阻碍表面波的效果越明显，由于天线阵面单元间尺寸有限，能够设置的电磁带隙组件100的数量也是有限的，由于本实施例提供的电磁带隙组件100尺寸更小，相比较传统的共面EBG结构可以放置更多的单元，因此降低表面波传播效果更明显，提高天线的法向增益。

上述实施例采用有禁带的电磁带隙组件100，可以提高天线法向增益，在另一种实现方式中，采用无禁带的电磁带隙结构，支持表面波或漏波模式在电磁带隙组件100上传播，使得天线边射辐射增强，可以达到增加大角度扫描增益的目的。

综上所述，本申请提供了一种电磁带隙组件及天线，该电磁带隙组件包括：第一介质层、第二介质层、第一金属片及第二金属片；第一介质层与第二介质层层叠设置；第一介质层包括背离第二介质层的第一介质层第一表面；第二介质层包括背离第一介质层的第二介质层第二表面；第二金属片设置于第二介质层第二表面，第二金属片接地；第一金属片设置于第一介质层第一表面；第一介质层内设置有贯穿第一介质层的金属孔，金属孔的一端与第一金属片接触，金属孔的另一端与第二介质层接触，第二介质层将金属孔与接地的第二金属片隔离，将金属孔与地隔开，适用于压合工艺的PCB时，有效地降低了压合工艺的难度，同时利用非接地的金属孔与金属片形成电容及电感，建立LC回路，可以使得结构在工作频点谐振，提高工作带宽。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电磁带隙组件，其特征在于，所述电磁带隙组件包括：第一介质层、第二介质层、第一金属片及第二金属片；

所述第一介质层与所述第二介质层层叠设置；

所述第一介质层包括背离所述第二介质层的第一介质层第一表面；

所述第二介质层包括背离所述第一介质层的第二介质层第二表面；

所述第二金属片设置于所述第二介质层第二表面，所述第二金属片接地；

所述第一金属片设置于所述第一介质层第一表面；

所述第一介质层内设置有贯穿所述第一介质层的金属孔，所述金属孔的一端与所述第一金属片接触，所述金属孔的另一端与所述第二介质层接触，所述第二介质层将所述金属孔与接地的所述第二金属片隔离。

2.根据权利要求1所述的电磁带隙组件，其特征在于，所述第一金属片包括第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边，所述第一侧边与所述第三侧边相对，所述第二侧边与所述第四侧边相对；

所述第一侧边部分延伸形成第一金属条，所述第二侧边部分延伸形成第二金属条，所述第三侧边部分延伸形成第三金属条，所述第四侧边部分延伸形成第四金属条；

所述金属条的宽度小于对应的所述侧边的宽度。

3.根据权利要求2所述的电磁带隙组件，其特征在于，所述第一金属条与所述第三金属条形状相同，所述第二金属条与所述第四金属条形状相同。

4.根据权利要求1所述的电磁带隙组件，其特征在于，所述第一金属片为矩形。

5.根据权利要求4所述的电磁带隙组件，其特征在于，所述第一金属片为正方形。

6.根据权利要求1所述的电磁带隙组件，其特征在于，所述第一介质层与所述第二介质层一体设置。

7.一种天线，其特征在于，所述天线包括金属贴片以及多个如权利要求1～6任意一项所述的电磁带隙组件，电磁带隙组件环绕所述金属贴片设置。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，任意相邻的两个所述电磁带隙组件之间的距离随机设置。

9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述电磁带隙组件环绕所述金属贴片呈周期排布。

10.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述电磁带隙组件为有禁带或无禁带的电磁带隙组件。

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